Действительно большим прорывом современной эволюционной биологии стало открытие гомеобоксных генов (часто называемых хоксами), которые определяют последовательность построения организма. В сущности, они являются сочетанием инструментов и плана создания нашего тела и начинают работать, как только яйцеклетка оплодотворена и клетки начинают делиться.
Действительно значимые прорывы в науке часто отмечаются присуждением Нобелевской премии, и в 1995 году премия в области медицины досталась профессору Эдварду Льюису, Кристиану Нюссляйну-Фольхарду и Эрику Ф. Вишаусу «за открытие генетического управления ранними стадиями развития эмбриона», то есть хокс-генов. Они начали поиск загадочных генов-строителей в 1970-х. Чтобы выявить, за что отвечают определенные гены, они кормили дрозофил веществами, вызывающими генетическую мутацию. К началу 1980-х были обнаружены ключевые гены, отвечавшие за построение тела дрозофил. Эти гены были названы гомеобоксными, или хокс-генами. Эд Льюис установил, что хокс-гены распределены в хромосомах в порядке, соответствующем частям тела, за которые они отвечают. Ошеломляющим стал тот факт, что многие из генов, присутствовавших у дрозофил, были обнаружены и у других животных и играли у них схожую роль, отвечая за развитие тех же частей тела, будь то морские ежи, лягушки, мыши или люди. Это открытие стало великолепным примером общности происхождения всего живого.
Так каким же образом все это связывает нас с плакодермами? Так вот, в 1993 году Клифф Табин из Гарварда установил, что один из хокс-генов, названный им «hedgehog» («еж»), отвечал за развитие наших конечностей. Когда позже он обнаружил соответствующий «еж» и для курицы, немного отличавшийся от человеческого, Клифф назвал его «sonic hedgehog» в честь компьютерного персонажа. Ген «sonic hedgehog», сокращенно – «shh», отвечает за развитие конечностей позвоночных, в частности пальцев на наших ногах. После того как этот ген был найден у всех животных с пальцами на ногах, от лягушек до людей, другая группа исследователей под руководством профессора Нила Шубина смогла обнаружить тот же ген у рыб (которые, конечно, не обладают пальцами). Доктор Рэнди Дан и Нил Шубин также нашли его у акул и костных рыб. Суть их открытия заключалась в том, что, хотя ген «shh» и отвечает за развитие пальцев, он тем не менее вносит свой вклад в развитие конечностей как таковых.
В 2007 году группа Дана опубликовала в Nature статью, в которой говорилось, что после трансплантации ткани мыши с геном «shh» в плавник детеныша ската было обнаружено, что ген сыграл в его организме такую же роль, как и у мыши: у ската-мутанта выросли новые плавниковые хрящи разной формы, и его грудной плавник стал по своему строению напоминать руку.
Диаграмма показывает основные этапы развития мужской половой системы позвоночных, от двойных костных кластеров (у панцирных рыб) до одиночного пениса млекопитающих, некоторых птиц и рептилий. На протяжении эволюции пенис неоднократно утрачивался и затем вновь появлялся у различных видов, в соответствии с потребностями. Те же хокс-гены, что отвечают за построение кластеров у акул и древних панцирных рыб, видимо, отвечают и за создание наших половых органов. (Джон Лонг)
Из этих и других экспериментов в области эволюционной биологии мы знаем, что все конечности, вернее, все придатки, будь то конечности или плавники, нуждаются для развития в гене «shh». Этот ген найден у всех существующих сегодня челюстных рыб, акул и скатов, а значит, он восходит своими корнями к самому началу нашего развития, к той эпохе, когда конечности только начали появляться, когда их план уже существовал в глубине ДНК, но действовал еще слабо.
Совместное изучение эволюционной биологии и ископаемых свидетельств перевернуло наше понимание превращения рыб в первых наземных животных. Открытие хокс-генов смогло лучше объяснить почти симметричное строение пальцев рук и ног ранних тетраподов (в противоположность поздним тетраподам, у которых все пять пальцев были разного размера). Таким образом, время активации определенных генов можно привязать к найденным останкам.
Эволюционная биология – это область развития знаний, показывающая, как сведения о чем-нибудь столь отдаленном, как рыбы девона, могут помочь исследованиям в области восстановительной медицины, которые однажды принесут пользу человечеству. Доктор Катрин Буаверт, изучавшая плавники девонских рыб Panderichtys для своей докторской работы в Университете Уппсалы, сегодня – ведущий специалист по развитию зародышей и активации генов у акул в новом Институте австралийской восстановительной медицины при Университете Монаша. Проведенные ею исследования, показывающие время появления и активации хокс-генов у рыб, могут в будущем помочь ученым в создании искусственных конечностей, мышц и даже самой спинномозговой ткани. Такие исследования дают надежду на возможность в будущем лечения патологий генетическим восстановлением утраченных тканей или больных органов.
Другие гены, играющие важную роль в развитии конечностей, принадлежат к ряду Hoxd, точнее, к диапазону от Hoxd9 до Hoxd13. Важная статья о конечностях акул, написанная Ренатой Фреитас и ее коллегами из Университета Флориды, сообщает, что развитие началось с последовательной активации генов серии Hoxd13, которая запустила механизм построения конечностей от плечевого пояса вниз к средней части плавника, или, по-нашему, предплечью. Затем неожиданно началась вторая стадия развития (именуемая двуфазной активацией), в течение которой гены серий Hoxd13 и Hoxd12 перестроили концы плавника акулы. Фреитас и ее коллеги сделали вывод, что последовательный запуск генов, так же как и обнаружение новых ископаемых, дает ключ к разгадке всей цепи. Читая эту статью, я был поражен включенными в нее цветными снимками крошечных эмбрионов акул с класперами, подсвеченными краской и свидетельствующими о запуске генов. Кажется, Hoxd12 отвечает и за формирование класперов, а Hoxd13 особенно важен для завершения этого процесса, отвечая при этом и за запуск построения урогенитальной зоны клоаки.
Но каким образом это связано с человеком? Публикация по изучению биологии развития на мышах Мартином Кохом (2004) показала, что развитие генитальных туберкул – бугорков (бугорки, из которых развиваются генитальные органы) и конечностей запускается параллельно и одновременно геном Hoxd13. Автор заключает: «Конечности и внешние гениталии проходят много сходных морфологических процессов, и… одни и те же молекулярные механизмы могут работать и во время развития конечностей, и во время развития гениталий».
Это было открытием для меня. То был первый блок современных данных по биологии развития, который связал открытый мной класпер плакодермы и пенис млекопитающих. В то время как вещество, из которого сделаны гениталии, дифференцируется во время эволюции позвоночных, гены, «командующие» развитием, те же самые и могут быть прослежены также в развитии конечностей. Подобно тому как строится дом из кирпича, из дерева или соломы, пока план стройки действителен, будут строиться одни и те же структуры, даже если материал разный. Класперы и у плакодермы, и у акулы формируются из части развивающегося брюшного пояса, предназначенного однажды стать ногами млекопитающего.
